stringtranslate.com

Цифровое аудио

Отображение уровня звука на цифровом аудиорекордере ( Zoom H4n )

Цифровое аудио — это представление звука, записанного в цифровой форме или преобразованного в нее . В цифровом аудио звуковая волна аудиосигнала обычно кодируется в виде числовых сэмплов в непрерывной последовательности. Например, в аудио компакт-дисках сэмплы берутся 44 100 раз в секунду , каждый с разрешением 16 бит . Цифровое аудио — это также название всей технологии записи и воспроизведения звука с использованием аудиосигналов , закодированных в цифровой форме. После значительных достижений в области цифровой аудиотехнологии в 1970-х и 1980-х годах она постепенно заменила аналоговую аудиотехнологию во многих областях аудиотехники , звукозаписывающего производства и телекоммуникаций в 1990-х и 2000-х годах.

В цифровой аудиосистеме аналоговый электрический сигнал, представляющий звук, преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой сигнал, обычно с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Затем этот цифровой сигнал можно записывать, редактировать, изменять и копировать с помощью компьютеров , аудиоустройств и других цифровых инструментов. Для воспроизведения цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратный процесс, преобразуя цифровой сигнал обратно в аналоговый сигнал, который затем отправляется через усилитель мощности звука и в конечном итоге на громкоговоритель .

Цифровые аудиосистемы могут включать в себя компоненты сжатия , хранения , обработки и передачи . Преобразование в цифровой формат обеспечивает удобную обработку, хранение, передачу и извлечение аудиосигнала. В отличие от аналогового аудио, в котором копирование записи приводит к потере генерации и ухудшению качества сигнала, цифровое аудио позволяет делать бесконечное количество копий без какого-либо ухудшения качества сигнала.

Обзор

Звуковая волна (красный цвет), представленная в цифровом виде (синий цвет) (после дискретизации и 4-битного квантования ).

Цифровые аудиотехнологии используются для записи, обработки, массового производства и распространения звука, включая записи песен , инструментальных произведений, подкастов , звуковых эффектов и других звуков. Современная онлайн-распространение музыки зависит от цифровой записи и сжатия данных . Доступность музыки в виде файлов данных, а не физических объектов, значительно снизила стоимость распространения, а также упростила обмен копиями. [1] До появления цифрового аудио музыкальная индустрия распространяла и продавала музыку, продавая физические копии в виде пластинок и кассет . С помощью цифровых аудиосистем и систем онлайн-распространения, таких как iTunes , компании продают потребителям цифровые звуковые файлы, которые потребитель получает через Интернет. Популярные потоковые сервисы, такие как Apple Music , Spotify или YouTube , предлагают временный доступ к цифровому файлу и в настоящее время являются наиболее распространенной формой потребления музыки. [2]

Аналоговая аудиосистема преобразует физические формы звуковых волн в электрические представления этих форм волн с помощью преобразователя , например микрофона . Затем звуки сохраняются на аналоговом носителе, например магнитной ленте , или передаются через аналоговую среду, например телефонную линию или радио . Для воспроизведения процесс обратный: электрический звуковой сигнал усиливается , а затем преобразуется обратно в физические формы волн с помощью громкоговорителя . Аналоговый звук сохраняет свои основные волнообразные характеристики на протяжении всего хранения, преобразования, копирования и усиления.

Аналоговые аудиосигналы подвержены шуму и искажениям из-за внутренних характеристик электронных схем и связанных с ними устройств. Нарушения в цифровой системе не приводят к ошибке, если только они не настолько велики, чтобы привести к неправильной интерпретации символа как другого символа или нарушению последовательности символов. Поэтому, как правило, возможно иметь полностью свободную от ошибок цифровую аудиосистему, в которой не вносится шум или искажение между преобразованием в цифровой формат и преобразованием обратно в аналоговый. [a]

Цифровой аудиосигнал может быть закодирован для исправления любых ошибок, которые могут возникнуть при хранении или передаче сигнала. Эта техника, известная как канальное кодирование , необходима для вещательных или записанных цифровых систем для поддержания точности битов. Модуляция восемь-четырнадцать — это канальный код, используемый для аудио компакт-диска (CD).

Процесс преобразования

Аналого-цифровое-аналоговое преобразование
Жизненный цикл звука от источника через АЦП, цифровую обработку, ЦАП и, наконец, снова как звук.

Если аудиосигнал аналоговый, цифровая аудиосистема начинается с АЦП, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. [b] АЦП работает с заданной частотой дискретизации и преобразует с известным разрешением бит. Например, аудио CD имеет частоту дискретизации 44,1  кГц (44 100 выборок в секунду) и разрешение 16 бит для каждого стереоканала . Аналоговые сигналы, которые еще не были ограничены по полосе пропускания, должны быть пропущены через фильтр сглаживания перед преобразованием, чтобы предотвратить искажение из-за наложения спектров , вызванное аудиосигналами с частотами выше частоты Найквиста (половина частоты дискретизации).

Цифровой аудиосигнал может храниться или передаваться. Цифровой звук может храниться на CD, цифровом аудиоплеере , жестком диске , USB-флэш-накопителе или любом другом устройстве хранения цифровых данных . Цифровой сигнал может быть изменен с помощью цифровой обработки сигнала , где он может быть отфильтрован или иметь эффекты . Преобразование частоты дискретизации , включая повышение и понижение частоты дискретизации, может использоваться для изменения сигналов, которые были закодированы с другой частотой дискретизации, на общую частоту дискретизации перед обработкой. Методы сжатия аудиоданных, такие как MP3 , Advanced Audio Coding (AAC), Opus , Ogg Vorbis или FLAC , обычно используются для уменьшения размера файла. Цифровой звук может передаваться по цифровым аудиоинтерфейсам, таким как AES3 или MADI . Цифровой звук может передаваться по сети с использованием аудио по Ethernet , аудио по IP или других стандартов и систем потокового мультимедиа .

Для воспроизведения цифровой звук должен быть преобразован обратно в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Согласно теореме о дискретизации Найквиста-Шеннона , с некоторыми практическими и теоретическими ограничениями, ограниченная по полосе версия исходного аналогового сигнала может быть точно восстановлена ​​из цифрового сигнала.

Во время преобразования аудиоданные могут быть встроены с цифровым водяным знаком для предотвращения пиратства и несанкционированного использования. Водяные знаки создаются с использованием метода прямой последовательности расширенного спектра (DSSS). Затем аудиоинформация модулируется псевдошумовой (PN) последовательностью, затем формируется в частотной области и возвращается в исходный сигнал. Сила встраивания определяет силу водяного знака на аудиоданных. [4]

История

Кодирование

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была изобретена британским ученым Алеком Ривзом в 1937 году. [5] В 1950 году Ч. Чапин Катлер из Bell Labs подал патент на дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (ДИКМ), [6] алгоритм сжатия данных . Адаптивная ДИКМ (АДИКМ) была представлена ​​П. Каммиски, Никилом С. Джайантом и Джеймсом Л. Фланаганом в Bell Labs в 1973 году. [7] [8]

Перцептивное кодирование впервые было использовано для сжатия речевого кодирования с линейным предсказательным кодированием (LPC). [9] Первоначальные концепции LPC восходят к работе Фумитады Итакуры ( Университет Нагои ) и Шузо Сайто ( Nippon Telegraph and Telephone ) в 1966 году. [10] В 1970-х годах Бишну С. Атал и Манфред Р. Шредер в Bell Labs разработали форму LPC, называемую адаптивным предсказательным кодированием (APC), алгоритм перцептивного кодирования, который использовал маскирующие свойства человеческого уха, за которым в начале 1980-х годов последовал алгоритм линейного предсказания с кодовым возбуждением (CELP). [9]

Кодирование с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT), метода сжатия с потерями, впервые предложенного Насиром Ахмедом в 1972 году, [11] [12] легло в основу модифицированного дискретного косинусного преобразования (MDCT), разработанного JP Princen, AW Johnson и AB Bradley в 1987 году. [13] MDCT является основой для большинства стандартов аудиокодирования , таких как Dolby Digital (AC-3), [14] MP3 ( MPEG Layer III), [15] [9] AAC, Windows Media Audio (WMA), Opus и Vorbis ( Ogg ). [14]

Запись

Катушечный магнитофон
Профессиональный цифровой аудиокассетный (DAT) магнитофон Sony PCM-7030
Цифровая звуковая рабочая станция

PCM использовался в телекоммуникационных приложениях задолго до его первого использования в коммерческом вещании и записи. Коммерческая цифровая запись была впервые осуществлена ​​в Японии NHK и Nippon Columbia и их брендом Denon в 1960-х годах. Первые коммерческие цифровые записи были выпущены в 1971 году. [16]

BBC также начала экспериментировать с цифровым звуком в 1960-х годах. К началу 1970 - х годов она разработала 2-канальный рекордер, а в 1972 году развернула цифровую систему передачи звука, которая связала их вещательный центр с их удаленными передатчиками. [16]

Первая 16-битная PCM-запись в США была сделана Томасом Стокхэмом в опере Санта-Фе в 1976 году на рекордере Soundstream . Улучшенная версия системы Soundstream использовалась для создания нескольких классических записей Telarc в 1978 году. Цифровой многодорожечный рекордер 3M, находившийся в разработке в то время, был основан на технологии BBC. Первым полностью цифровым альбомом, записанным на этой машине, был Bop till You Drop Рая Кудера в 1979 году. Британский лейбл звукозаписи Decca начал разработку собственных 2-дорожечных цифровых аудиорекордеров в 1978 году и выпустил первую европейскую цифровую запись в 1979 году. [16]

Популярные профессиональные цифровые многодорожечные рекордеры, произведенные Sony/Studer ( DASH ) и Mitsubishi ( ProDigi ) в начале 1980-х годов, помогли крупным звукозаписывающим компаниям принять цифровую запись. Машины для этих форматов также имели собственные встроенные транспорты, используя катушечную ленту шириной 1/4", 1/2" или 1", при этом аудиоданные записывались на ленту с помощью многодорожечной неподвижной головки. Адаптеры PCM позволяли осуществлять стереоцифровую аудиозапись на обычном видеомагнитофоне NTSC или PAL .

Появление в 1982 году компакт-дисков компаниями Philips и Sony популяризировало цифровое аудио среди потребителей. [16]

В начале 1990-х годов появилась технология ADAT , которая позволяла производить восьмидорожечную запись с частотой 44,1 или 48 кГц на кассетах S-VHS, а технология DTRS выполняла аналогичную функцию с лентами Hi8.

Такие форматы, как ProDigi и DASH, назывались форматами SDAT (цифровая аудиокассета со стационарной головкой), в отличие от форматов, таких как системы на базе адаптера PCM и цифровая аудиокассета (DAT), которые назывались форматами RDAT (цифровая аудиокассета со вращающейся головкой) из-за используемого в них процесса записи со спиральным сканированием.

Как и кассета DAT, машины ProDigi и DASH также поддерживали обязательную частоту дискретизации 44,1 кГц, но также и 48 кГц на всех машинах, и в конечном итоге частоту дискретизации 96 кГц. Они преодолели проблемы, из-за которых типичные аналоговые рекордеры не могли удовлетворить требования к полосе пропускания (диапазону частот) цифровой записи, за счет сочетания более высоких скоростей ленты, более узких зазоров головок, используемых в сочетании с лентами с металлическим составом, и распределения данных по нескольким параллельным дорожкам.

В отличие от аналоговых систем, современные цифровые звуковые рабочие станции и аудиоинтерфейсы позволяют использовать столько каналов с таким количеством различных частот дискретизации, сколько компьютер может эффективно использовать одновременно. Avid Audio и Steinberg выпустили первые программы для цифровых звуковых рабочих станций в 1989 году. [17] Цифровые звуковые рабочие станции значительно упрощают многодорожечную запись и микширование для больших проектов, что в противном случае было бы затруднительно при использовании аналогового оборудования.

Телефония

Быстрое развитие и широкое внедрение цифровой телефонии PCM стало возможным благодаря технологии коммутируемых конденсаторов (SC) на основе металл-оксид-полупроводника (МОП) , разработанной в начале 1970-х годов. [18] Это привело к разработке микросхем кодека-фильтра PCM в конце 1970-х годов. [18] [19] Микросхема кодека-фильтра PCM на основе КМОП (комплементарных МОП) с кремниевым затвором , разработанная Дэвидом А. Ходжесом и В. К. Блэком в 1980 году, [18] с тех пор является отраслевым стандартом для цифровой телефонии. [18] [19] К 1990-м годам телекоммуникационные сети , такие как телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с помощью кодеков-фильтров CMOS PCM VLSI ( сверхбольшой интеграции ), широко используемых в электронных коммутационных системах для телефонных станций , модемов на концах пользователей и ряда приложений цифровой передачи , таких как цифровая сеть с интеграцией услуг (ISDN), беспроводные телефоны и сотовые телефоны . [19]

Технологии

Цифровое аудио используется в вещании аудио. Стандартные технологии включают цифровое аудиовещание (DAB), цифровое радио Mondiale (DRM), HD Radio и внутриполосное на канале (IBOC).

Цифровое аудио в приложениях записи хранится на аудиоспецифичных технологиях, включая CD, DAT, цифровую компакт-кассету (DCC) и мини-диск . Цифровое аудио может храниться в стандартных форматах аудиофайлов и храниться на жестком диске рекордера , Blu-ray или DVD-Audio . Файлы могут воспроизводиться на смартфонах, компьютерах или MP3-плеерах . Разрешение цифрового аудио измеряется в битовой глубине звука . Большинство форматов цифрового аудио используют разрешение 16 бит, 24 бит и 32 бит.

Интерфейсы

Для персональных компьютеров USB и IEEE 1394 имеют возможности для передачи цифрового звука в реальном времени. Интерфейсы USB становятся все более популярными среди независимых звукорежиссеров и продюсеров из-за их небольшого размера и простоты использования. В профессиональных архитектурных или инсталляционных приложениях многие [[аудио через Ethernet

существуют протоколы и интерфейсы. В вещании предпочтение отдается более общей сетевой технологии аудио по IP . В телефонии голос по IP используется как сетевой интерфейс для цифрового аудио для голосовой связи.

Несколько интерфейсов разработаны для передачи цифрового видео и аудио вместе, включая HDMI и DisplayPort . Некоторые интерфейсы предлагают поддержку MIDI , а также аналоговые порты XLR и TRS .

USB-интерфейсы Focusrite

Интерфейсы, предназначенные для цифрового аудио, включают в себя:

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Фильтрация антиалиасинга и дополнительная цифровая обработка сигнала могут ухудшить аудиосигнал из-за пульсации полосы пропускания, нелинейного фазового сдвига, шума квантования численной точности или временного искажения переходных процессов. Однако эти потенциальные ухудшения могут быть ограничены тщательным цифровым проектированием. [3]
  2. ^ Некоторые аудиосигналы, например, созданные с помощью цифрового синтеза, возникают полностью в цифровой области, и в этом случае аналого-цифровое преобразование не происходит.

Ссылки

  1. ^ Янссенс, Йелле; Стайн Вандаеле; Том Вандер Бекен (2009). «Музыкальная индустрия на грани? Как выжить в эпоху цифрового пиратства». Европейский журнал преступности, уголовного права и уголовного правосудия . 77 (96): 77–96. doi :10.1163/157181709X429105. hdl : 1854/LU-608677 .
  2. ^ Лиикканен, Ласси А.; Аман, Пиркка (май 2016 г.). «Услуги перемешивания: современные тенденции во взаимодействии с цифровой музыкой». Взаимодействие с компьютерами . 28 (3): 352–371. doi :10.1093/iwc/iwv004. ISSN  0953-5438.
  3. ↑ Story, Mike (сентябрь 1997 г.). «Предлагаемое объяснение (некоторых) слышимых различий между аудиоматериалами с высокой и обычной частотой дискретизации» (PDF) . dCS Ltd. Архивировано (PDF) из оригинала 28 ноября 2009 г.
  4. ^ Seok, Jongwon; Hong, Jinwoo; Kim, Jinwoong (2002-06-01). «Новый алгоритм водяных знаков для аудио для защиты авторских прав на цифровое аудио». ETRI Journal . 24 (3): 181–189. doi : 10.4218/etrij.02.0102.0301 . ISSN  1225-6463. S2CID  3008374.
  5. ^ Неопознанный гений, BBC, 2011-03-27 , получено 2011-03-30
  6. ^ Патент США 2605361, C. Chapin Cutler, «Дифференциальное квантование сигналов связи», выдан 29 июля 1952 г. 
  7. ^ П. Каммиски, Никил С. Джайант и Дж. Л. Фланаган, «Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании PCM речи», Bell Syst. Tech. J. , т. 52, стр. 1105—1118, сентябрь 1973 г.
  8. ^ Cummiskey, P.; Jayant, Nikil S.; Flanagan, JL (1973). «Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании PCM речи». The Bell System Technical Journal . 52 (7): 1105–1118. doi :10.1002/j.1538-7305.1973.tb02007.x. ISSN  0005-8580.
  9. ^ abc Шредер, Манфред Р. (2014). "Bell Laboratories". Акустика, информация и связь: Мемориальный том в честь Манфреда Р. Шредера . Springer. стр. 388. ISBN 9783319056609.
  10. ^ Грей, Роберт М. (2010). «История цифровой речи в реальном времени в пакетных сетях: Часть II линейного предиктивного кодирования и интернет-протокола» (PDF) . Найдено. Trends Signal Process . 3 (4): 203–303. doi : 10.1561/2000000036 . ISSN  1932-8346.
  11. ^ Ахмед, Насир (январь 1991 г.). «Как я придумал дискретное косинусное преобразование». Цифровая обработка сигналов . 1 (1): 4–5. doi :10.1016/1051-2004(91)90086-Z.
  12. ^ Насир Ахмед; Т. Натараджан; Камисетти Рамамохан Рао (январь 1974 г.). «Дискретное косинусное преобразование» (PDF) . IEEE Transactions on Computers . C-23 (1): 90–93. doi :10.1109/TC.1974.223784. S2CID  149806273.
  13. ^ JP Princen, AW Johnson и AB Bradley: Кодирование подполос/преобразований с использованием конструкций банков фильтров на основе устранения наложения спектров во временной области , IEEE Proc. Международная конференция по акустике, речи и обработке сигналов (ICASSP), 2161–2164, 1987.
  14. ^ ab Luo, Fa-Long (2008). Стандарты мобильного мультимедийного вещания: технология и практика. Springer Science & Business Media . стр. 590. ISBN 9780387782638.
  15. ^ Гукерт, Джон (весна 2012 г.). «Использование FFT и MDCT в сжатии аудио MP3» (PDF) . Университет Юты . Получено 14 июля 2019 г. .
  16. ^ abcd Fine, Thomas (2008). Barry R. Ashpole (ред.). "The Dawn of Commercial Digital Recording" (PDF) . ARSC Journal . Получено 2010-05-02 .
  17. ^ Рейтер, Андерс (15.03.2022). «Кто выпустил DAW? Цифровое в новом поколении цифровой аудиостанции». Popular Music and Society . 45 (2): 113–128. doi : 10.1080/03007766.2021.1972701. ISSN  0300-7766. S2CID  242779244.
  18. ^ abcd Allstot, David J. (2016). "Фильтры с переключаемыми конденсаторами" (PDF) . В Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, всепроникающих сетей до вычислений на основе больших данных . IEEE Circuits and Systems Society . стр. 105–110. ISBN 9788793609860. Архивировано из оригинала (PDF) 2021-09-30 . Получено 2019-11-29 .
  19. ^ abc Floyd, Michael D.; Hillman, Garth D. (8 октября 2018 г.) [1-я публикация 2000 г.]. «Кодек-фильтры импульсно-кодовой модуляции». Справочник по коммуникациям (2-е изд.). CRC Press . стр. 26–1, 26–2, 26–3. ISBN 9781420041163.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Цифровое аудио» .
Послушайте эту статью ( 9 минут )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 12 марта 2016 года и не отражает последующие правки. ( 2016-03-12 )
( Аудиопомощь  · Больше устных статей )